기획

플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판 소재는 LCD와 OLED 등 평판 디스플레이의 유리기판을 대체하는 것으로서 화질의 손상이나 저하없이 휘거나 감을 수 있도록 하는 핵심 기판 소재다. 우리나라의 디스플레이 산업이 이미 세계 1위를 고수하고 있는 상황에서 2020년 50조원에 달할 것으로 예상되는 플렉시블 디스플레이시장에서도 강자로 남으려면 핵심소재 기술을 확보할 필요가 있다. 플라스틱 기판소재는 디스플레이 소자 및 터치패널, PCB, 1회용 센서 시장, 태양전지와 같은 전자기술이 활성화돼, 플렉서블 디스플레이분야 외에도 다른 사업에서 적용되는 비율이 60% 에 이를 것으로 전망되는 등 파급효과가 큰 소재다. 특히 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판은 세계적으로 아직 요구 물성을 만족시키지 못한 매우 어려운 기술인만큼 성공시 산업경쟁력을 더욱 향상시킬 것으로 기대를 모으고 있다. 현재 고내열, 고투명의 플라스틱 후보 소재로는 패널업체의 공정에 적용할 수 없다. 따라서 플렉서블 디스플레이용 기판소재는 기존 유리 기판과 같이 높은 온도와 산·알칼리 등 약품에 견딜 수 있어야 하며 수분 및 산소 등 가스 침투를 차단할 수 있는 ‘배리어 특성’을 만족해야 한다. 또한 구부릴 수 있는 상태에서도 작동이 원활히 유지되기 위해선 유연한 전극 기판 형태로 만들 수 있어야 한다. 제일모직이 총괄주관을 맡은 플렉시블 디스플레이용 기판소재 사업단은 △플라스틱 소재 및 필름 △배리어 코팅 및 기능성 코팅 소재 △투명전극 소재 등을 개발하고 있다. 사업단은 WPM 1차년도에 세계 최고의 85% 수준인 LCD 및 OLED용 고내열 플라스틱 소재 및 필름을 개발했고 세계 최고 85% 수준의 세라믹 전극소재 개발이라는 성과를 냈다. 그러나 평판디스플레이 시장에서 한국에 밀린 일본은 플렉시블 디스플레이 시장을 선점하기 위해 NEDO 등의 컨소시엄을 통해 높은 수준의 기술을 확보했고 미국, 유럽, 대만 등도 소재업체와 장비업체를 중심으로 협력체계를 갖추고 있어 이를 넘기 위한 기술개발이 절박한 상황이다. ||■플라스틱 소재 및 필름사업단이 1세부 과제로 개발하고 있는 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 소재 및 필름은 기존 디스플레이 특성의 손실없이 두루마리형태로 변형이 가능하면서 얇고 내충격성을 가지는 등 광학적 물리적 특성이 우수한 디스플레이 소재다.유리기판과 비교해 플라스틱 기판이 해결해야 할 과제는 크게 산소나 수증기의 기체투과방지, LCD 공정온도에 적합한 플라스틱의 내열성, 공정온도의 변화에 따른 낮은 열팽창계수, 유리기판 수준의 빛투과율, 내마모성, ITO나 SiO2와의 상용성 등이 있으며 새로운 새로운 TFT 배열 기술 개발도 함께 요구되고 있다.일본 기업은 기판원료 합성기술에서부터 기판화 공정 기술뿐만 아니라, 코팅 기술, 공정 장비 전 분야에서 세계 최고의 경쟁력을 보유하고 있다. 스미토모베이클라이트는 PES에 ITO를 형성한 제품을, 테이진카세이는 PC에 IZO를 형성한 제품으로 시장에 진입 중이다.국내는 이와 관련한 독자적인 원천 연구 및 원천기술이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 제일모직, LG화학, SKC, 코오롱 등 대기업을 중심으로 개발을 진행하고 있으나 실험실 수준이며, 엔지니어링 플라스틱을 기판소재로 그대로 적용하거나 기존 구조에 화학구조를 일부 변경하는 방식으로 접근하고 있다. 아이컴포넌트의경우 BASF로부터 PES를 구입해 기판용 필름 시장 진입을 시도하고 있다.전문가들은 디스플레이산업이 대규모 자본을 필요로 하는 장치산업으로 투자의 위험성과 기술수준이 높음을 고려할 때 삼성전자, LG디스플레이와 같은 세계적인 수요기업들과 소재기업들이 유기적으로 협력한다면 충분히 개발 가능하다고 기대하고 있다.■배리어코팅 및 기능성 코팅 소재배리어코팅 및 기능성 코팅 소재는 플렉시블 디스플레이용 플라스틱 기판에 매우 우수한 표면특성과 수분 및 산소 차단특성을 부여하는 기술소재다. 특히 플렉시블 OLED 및 OLED조명의 경우 유리기판 수준의 수분 및 산소 배리어 특성을 요구한다. 플라스틱 기판 상에 TFT 또는 컬러 필터(Color Filter) 공정을 진행하기 위해 유리 수준의 평탄화와 내화학 코팅 소재/공정 기술이 필요하다.미국의 비텍스사는 플라스틱에 배리어 코팅을 형성하는 원천기술을 보유하고 있으며 GE도 2006년 고내열성 PC 필름을 이용하여 플렉시블 OLED용 배리어 코팅 기술을 개발했다.일본의 경우 스미토모베이클라이드는 PES 필름 소재에서부터 ITO 코팅 필름에 이르는 PES 기반에 대한 원천 기술을 보유하고 있다. 테이진과 미국 듀폰은 공동으로 치수변화특성과 평탄도가 우수한 PET와 PEN를 개발했다.국내 배리어층 소재 및 공정은 전반적으로 원천 특허와 기술이 부족하다. 국내 기업들은 대부분 국책과제를 통해 관련 기술 확보에 나서고 있다. LG화학은 내화학성이 확보된 보호층과 평탄화 및 배리어 층을 개발했으며 내구성과 내굴 곡성 평가 시 층간 밀착성이 우수한 배리어 필름 관련 핵심 특허를 확보했다. 코오롱은 평탄 고내열 수지에 배리어 코팅을 위한 유무기 하이브리드 재료를 개발 중이다. 한국전자통신연구원은 플라스틱 기판을 기반으로 한 OLED 공정기술과 장수명화 기술을 개발했으며 현재 플라스틱 기판 상에서 컬러 전자잉크를 이용한 다색 전자종이를 개발 중이다.||■‘CNT·그래핀’ 투명전극소재로 각광투명전극소재는 글래스 및 플라스틱 필름 등 투명한 재질의 절연체 표면에 투명성을 유지하면서 도전성을 부여하는 박막 전극이다. 투명 전도성 필름이라고도 불리는 플렉시블 투명전극은 플렉시블 소자용 전극뿐만 아니라 터치패널, 투명 전자파차폐막, 투명발열체, 도전성 유리, 가스센서, 열반사코팅막, 태양전지 등에 응용되고 있으며 투명 정전기 방지막, 통신기기용 안테나, 광학필터로도 응용이 가능한 정보전자 에너지 분야의 핵심 부품소재다.투명 전도막을 플렉시블 디스플레이에 적용하기 위해서는 기판의 휨에 대한 우수한 유연성과 산성 용액공정에 대한 우수한 화학적 안정성까지 요구하기 때문에 기존의 플렉시블 디스플레이용 투명 전극 보다 더욱 우수한 특성이 요구되고 있다.현재 디스플레이 투명전극으로 널리 사용 중인 ITO(Indium Tin Oxide)는 진공증착 공정과 포토리소그래피 공정에 의한 높은 제조단가, 환경적 요인, 고온 공정, 낮은 플렉시블 특성, 인듐 확보의 어려움 등의 문제 등으로 플렉시블 디스플레이 투명전극으로서는 적합하지 않은 것으로 알려져있다. 이를 대체할 고투명, 저저항의 투명전극 재료로서 주요 선진국가에서는 이미 전도성 고분자, 금, 은 등의 나노입자 및 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 플렉시블 디스플레이용 투명전극 개발에 박차를 가하고 있다.이에 대해 특히 일본에서 많은 연구성과를 나타내고 있다. 금속 기반 투명전극 소재 기술 개발 관련 대표적인 업체는 미국의 캠브리오스 테크놀로지(Cambrios Technologies Corp.), 시마 나노테크(Cima Nanotech), 일본의 후지필름(Fujifilm), 군제(Gunze), 다이닛폰인쇄(Dai Nippon Printing) 등이 있다.CNT는 투명 전도성 물질로서 ITO를 대체 할 수 있는 가장 주목받는 소재다. 박막 필름으로 제작했을 때 투명성이 유지되며 전기전도도와 열전도가 우수하고 강도가 철강보다 100배나 뛰어나다는 특징이 있다. 미국과 일본은 CNT 소재개발에 대한 원천특허를 보유하고 있으며 CNT 양산체계와 함께 다양한 응용 제품을 개발 중이다. 일본의 경우 10여개의 업체가 CNT 합성기술을 보유하고 있으며 후지쯔, 히타치와 같은 대기업들이 기술개발에 적극적으로 나서 시장선점을 모색하고 있다.그래핀(Graphene) 또한 매우 높은 전도도와 광학적 투명성을 동시에 가지고 있어 투명전극 소재로 잠재력이 높다. 이에 IBM 연구소를 비롯한 많은 대학과 연구진들이 반도체 소자로써의 응용을 위한 연구를 활발히 진행 중이며 염료 감응형, 유기박막 태양전지의 투명 전극에 적용한 사례도 발표되고 있다.또 하나의 후보인 전도성 고분자 물질은 저온 공정이 가능하고 용액 공정이 가능하기 때문에 인쇄방식의 공정을 적용시킬 수 있다는 장점이 있다. 일본은 ITO 필름 수준인 PEDOT계 전도성 고분자 필름을 개발, 터치 패널에 바로 적용할 수 있다고 발표한 바 있다.국내기업의 경우 삼성SDI, 신안SNP, 재료연구소, 고려대, KAIST, 홍익대 등 대기업, 연구소, 벤처기업에서 플렉시블 투명전도성 박막에 대한 연구개발이 활발히 진행 중이다. 디피아이솔루션스 및 탑나노시스 등 일부 벤쳐기업을 중심으로 전도성 고분자 또는 탄소나노튜브를 응용한 투명전극용 박막 시제품을 발표하며 일부 시판하고 있으나, 플렉시블 디스플레이에 응용되기에는 아직 미흡한 수준이다.특히 인듐 가격 상승에 따른 수급불균형 및 자원고갈에 대한 문제는 산업계의 큰 고민이나 국내 대부분의 ITO 연구는 박막 제조공정 및 특성평가에 국한돼 투명전극 소재 자체에 대한 연구는 거의 전무한 실정이어서 핵심소재에 대한 연구활성화가 시급하다고 전문가들은 지적하고 있다.

멤브레인(Membrane)이란 액체 또는 기체 등의 혼합물질에서 원하는 입자만을 선택적으로 투과해 분리하는 기능을 하는 소재를 말한다.다기능성 고분자 멤브레인 소재는 미래 그린에너지 산업을 주도할 수처리, 기체분리, 수소연료전지, 에너지절감공정 등에 사용될 수 있는 다기능 분리특성 고분자 소재로서 다양한 분야에서 대량으로 사용될 수 있는 공통 핵심소재다. 멤브레인 산업은 온실가스 증대와 물부족 현상 등 전 지구적인 문제를 해결할 수 있는 해결사로 떠오르고 있어 세계 각국은 원천기술 확보에 나서고 있다 .2019년 시장규모는 국내 6조5,000억원, 국외 57조7,000억원으로 총 64조2,000억원에 달할 전망이다. 우리나라의 경우 고분자 멤브레인을 활용해 수처리 제품, 직접메탄올연료전지, 수소연료전지 등을 조립하는 기술 수준은 비교적 높으나, 그 핵심에 해당하는 고분자 멤브레인 소재 기술은 걸음마 단계로 해외 몇몇 기업 또는 기관에 의존하고 있다.이에 코오롱이 주관을 맡은 지능형 멤브레인 소재 사업단은 △연료전지용 탄화수소계 강화복합막 △다기능성 정수처리용 멤브레인 소재 △저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재 개발 △OBIGGS(On Board Inert Gas Generating System, 불활성가스 생성 시스템)용 고투과성 고분자 멤브레인 소재 등을 개발에 나섰다. 사업단은 1차년도에 세계 최초로 연료전지용 내열성(150℃) 소재 및 수처리용 친수성 소재 개발을 시도했다.||■연료전지지구 온난화와 화석연료 고갈 문제를 해결하는 방안으로 연료전지는 태양전지와 더불어 에너지 생산시스템으로 자리잡을 것으로 전망되고 있다. 또한 수소연료전지 자동차가 차세대 그린카로 육성되고 있어 시장의 급격한 성장이 예상된다.연료전지의 성능을 좌우하는 것은 고분자 전해질막으로서 수소이온 전달 통로 및 연료인 수소 혹은 메탄올을 차단해주는 역할을 하는 멤브레인 소재다. 현재 대표적인 연료전지용 전해질막으로는 미국 듀폰(Dupont)의 불소계 고분자 전해질막인 나피온(Nafion)이 있다. 현재 우수한 성능을 가지고 있으며 상용화돼 가장 많이 사용되고 있으나 높은 가격으로 인해 산업용으로서의 제약이 있다. 또한 얇게 만들어 사용하면 수소 이온과 함께 너무 많은 물이 함께 넘어가는 ‘플러딩’ 현상으로 연료전지의 성능을 저하시키는 단점이 있다. 연료전지 전용으로는 3M과 솔베이가 최근 독자적인 불소계 수지를 개발 완료했다.탄화수소계 강화복합막은 연료전지의 작동환경에서 열안정성 및 산화 안정성이 매우 높고, 불소계 고분자에 비해 수소, 메탄올과 같은 연료의 투과율이 낮으며 가격도 훨씬 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 탄화수소계 전해질막은 내구성이 떨어지고 박막화가 어려워 이에 대한 연구개발이 다양하게 진행되고 있는 것이다.국내에서는 코오롱, 동진세미켐, 제일모직 등의 소재업체에서 방향족 탄화수소계 전해질을 개발 중이며, 제일모직도 탄화수소계 수지를 판상입자와 나노하이브리드화한 복합막을 시생산해 메탄올 연료전지 시스템 효율을 개선하는 연구를 삼성 SDI 및 삼성종합기술원과 진행시킨 바 있다. 한국화학연구원은 미국 바텔 연구소 및 퓨얼셀 파워와 공동으로 연료전지용 탄화수소계 고분자 전해질막 개발 연구를 수행했다.탄화수소계 강화복합막은 아직까지 상용화된 예가 없으나 수소연료전지가 2015년경부터 상용화될 것으로 예측되고 있어 그 개발은 매우 시급하다. 또한 태양전지, 레독스 배터리, 2차전지 세퍼레이터, 정수처리 등의 기술 개발에도 응용이 가능할 것으로 기대되며 이온전도의 특성을 활용해 각종 유가금속의 회수 등 자원 재생 산업에도 응용이 가능하다.||■수처리지구온난화, 환경오염 등에 의해 수자원 고갈이 심화됨에 따라 수처리 관련 시장 규모는 빠른 속도로 증가하며 석유시장을 초과하는 거대 시장이 될 것으로 전망되고 있다. 이른바 ‘블루 골드(Blue Gold)’로 불릴 정도다.차세대 수처리 기술로 각광받고 있는 멤브레인은 1990년대 말부터 상업화가 본격 시작돼 2000년대 들어 처리시설의 증가와 대규모화가 진행되고 있으며 기존 정수처리 기술의 대체가 이뤄지고 있는 시점이다. 현재 수만톤/일 규모에서 향후 10년 내 수십만톤/일 규모의 대규모 정수처리장에 대한 기술적, 경제적 경쟁력을 확보하기 위해 고 투수성능 및 내오염성 강화가 필요하다.이를 해결할 소재로 고강도 친수성 신규 고분자 멤브레인 소재가 WPM을 통해 개발되고 있다. 기존 친수성 소재의 경우 내오염성에서 우수하나 내구성에 문제가 있어 소수성 소재인 PVDF가 주로 사용되고 있으나 오염에 취약한 소재적 제한을 갖고 있다. 고강도 친수성 신규 고분자 멤브레인 소재는 기존 소재에 비해 강도와 내오염성을 높이고 나노급 기공 크기를 줄여 바이러스 제거율을 대폭 향상시킬 수 있다. 이러한 특성으로 인해 정수처리 분야 외에 멤브레인의 적용이 급속히 증가하고 있는 해수담수 전처리, 하수 재이용 분야에도 적용이 가능하다.수처리용 멤브레인 세계 시장은 GE, 지멘스, 다우케미컬, 아사히카세이, 도레이 등 해외 선진업체들이 장악하고 있다. 국내의 경우 대규모 정수처리용 멤브레인 제조 기술은 아직까지 활발하게 이뤄지지 않고 있다. 코오롱, 에치투엘 등이 ‘에코스타’과제를 통해 소재 국산화를 진행하고 있으나, 해외 선진 기술과 차별화되는 원천 기술은 없는 상황이다. 또한 정수처리 멤브레인의 원재료인 고분자 소재 기술은 국내 전무한 상태로 핵심 소재의 개발 및 국산화가 절실한 것으로 파악되고 있다.특히 정수처리용 멤브레인 소재 기술 개발을 통해 소재 시장의 3~5배 규모의 시스템 시장과 시스템 시장의 2~5배의 EPC 시장에 대해 기술 파급이 가능하다는 점에 주목할 필요가 있다.저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재는 현재 수준 이상의 수투과도를 확보하면서 저압(低壓)에서 운전이 가능해 에너지 소비를 극소화하는 것이다. 해수담수화 공정에서 에너지 비용이 전체 비용의 50% 이상을 차지하고 있으며 이 중 멤브레인 구동을 위한 고압 펌프가 70~90% 비중을 차지하고 있다.가격 경쟁력 확보를 위해 세계 각국은 혁신 멤브레인 기술 확보에 나서고 있다. 주로 대학과 벤처기업에서 개발한 기술들이 실증테스트를 거치고 있는 것.여러 기술 중 저에너지형 정삼투식 해수담수화 기술이 차세대 담수화 기술로 주목받고 있다. 이는 미국과 유럽의 선진 국가에서도 아직 상용화 단계에 이르지 못한 것으로 알려져 있다.국내의 경우 해수담수화용 멤브레인을 제조하는 업체는 웅진케미칼이 유일하나 세계 선진기업과 동일한 고분자 소재를 이용하고 있어 해외 시장 진입에 한계가 있는 것으로 평가되고 있다. 따라서 전문가들은 저에너지형 정삼투식 해수담수화 기술 개발을 서두른다면 국제 수준으로의 도약이 단기간 가능할 것으로 기대하고 있다. 현재 한국기계연구원에서 2014년까지 관련 기술 개발에 나서고 있다.■에어프로덕츠, 기체분리막 시장 장악 OBIGGS(On Board Inert Gas Generation System, 불활성가스발생장치)엔 항공기용과 선박용이 있다. 항공기에는 연료 탱크 내의 연료가 끓거나 낙뢰로 인한 화재가 발생하는 것을 방지하기 위해서, 선박에는 화재가 발생할 수 있는 LNG선, 화학 물질 운반선에 화재 방지용으로 OBIGGS가 공급되고 있다.OBIGGS는 대부분 기체 분리막을 이용하고 있으며, 핵심 기술은 기체분리막 모듈 제조 기술이라고 말할 수 있다. 향후 OBIGGS는 필수적으로 모든 항공기와 설치돼야 하기 때문에 시장규모가 급격히 증가할 전망이다.기체분리막은 세계적으로 10개사 미만의 업체만 제조하고 있으며 시장을 장악하고 있는 업체는 3개사다. 이 중 미국의 에어프로덕츠, 프랑스 에어리퀴드가 가장 큰 시장점유율을 차지하고 있다. 특히 우리나라는 세계 일류 조선산업을 보유하고 있음에도 불구하고 선박용 OBIGGS는 100% 수입하고 있으며 대부분 에어프로덕츠가 시장을 장악하고 있는 상황이다.국내에서는 20여년 전부터 한양대, KIST 등에서 연구가 진행돼 왔으며 최근 한양대 이영무 교수연구진이 PBO 소재를 이용한 높은 투과 선택성을 가지는 소재를 개발했다. 코오롱과 대림에서 중공사형 기체 분리막의 기술개발을 진행했으나 상용화 단계에는 이르지 못했으며 현재 상업화 기술을 보유한 기업으로는 2001년 창립한 기체분리막 전문기업 (주)에어레인이 유일하다. 선박·항공 관련 기자재나 소재의 국산화를 위해선 애경유화, 에어레인, 효성 등 소재기업들과 현대중공업, 삼성중공업, STX 등 수요업체와 협력이 필요한 시점이다.